應用型本科院校《計算機控制技術(shù)》課程教學改革實踐

摘 要:《計算機控制技術(shù)》是自動化專業(yè)的主要專業(yè)課，在專業(yè)課程體系中起到承上啟下重要作用。針對應用型本科院校中《計算機控制技術(shù)》課程，闡述了教學改革總體思路，并從教學內(nèi)容、方法、考核方式等方面探索了教學改革的一些措施，并分析了所取得的效果，為深化該課程教學改革奠定了基礎。

關(guān)鍵詞:計算機控制技術(shù) 教學改革 教學實踐

中圖分類號:G642文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(c)-0157-02

《計算機控制技術(shù)》是自動化專業(yè)和其他相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)課程。該課程以計算機在系統(tǒng)控制中的應用為中心，以計算機控制系統(tǒng)為主線，涉及控制系統(tǒng)硬件、軟件、系統(tǒng)分析和應用等方面的問題，其實踐性和應用性較強。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展及普及，越來越多的控制系統(tǒng)采用計算機控制系統(tǒng)，這就要求學生完成該課程學習后，掌握計算機控制系統(tǒng)的分析設計與實現(xiàn)方法，能完成簡單計算機控制系統(tǒng)的設計、安裝、編程和調(diào)試過程[1]。為了符合應用型本科院校培養(yǎng)人才的要求，在教學中，針對《計算機控制技術(shù)》的課程內(nèi)容和教學方式、方法、手段等方面進行了一些嘗試性改革。

1 教學改革總體思路

計算機控制系統(tǒng)是以計算機為此系統(tǒng)工具，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)觀念是該課程的核心，但是實現(xiàn)方法區(qū)別于連續(xù)時間控制系統(tǒng)，因此對于應用型本科院校而言，《計算機控制技術(shù)》課程兼顧基礎理論，同時更強調(diào)向?qū)嵺`方面過渡[1]，著重于控制理論與工程實踐的有機結(jié)合，著重于微機與控制的有機結(jié)合。

在《計算機控制技術(shù)》課程教學改革中，針對應用型本科院校的特點，需要堅持以下教學理念:第一，堅持“素質(zhì)教育、工程教育、創(chuàng)新教育”緊密結(jié)合，加強基礎，強化工程概念，激發(fā)創(chuàng)新精神;第二，堅持“理論教學、實驗教學、計算機輔助教學”相結(jié)合，提高學生分析和解決問題的結(jié)合能力;第三，堅持與相關(guān)課程的整合，形成系列化且完整的課程教學體系，提高課程的教學效率;第四，堅持“課內(nèi)課外”相結(jié)合，課內(nèi)注重教學啟發(fā)、引導，課外注重實踐訓練，為使學生盡早進入工程角色創(chuàng)造良好的條件和環(huán)境。

2 教學改革的具體措施

基于上述教學理念并根據(jù)我院實際情況，在《計算機控制技術(shù)》的課程改革中，做了以下實踐。

2.1 教學體系重在有機結(jié)合

《計算機控制技術(shù)》從應用角度出發(fā)，密切結(jié)合工業(yè)實踐，并融合了計算機技術(shù)、控制理論和計算機通信技術(shù)而發(fā)展起來的一門理論性及實踐性較強的新型課程。該課程主要任務是依據(jù)理論聯(lián)系實際的原則，把硬件和軟件結(jié)合、控制原理和典型應用結(jié)合，并通過各個教學環(huán)節(jié)運用各種教學手段和方法，以利學生掌握計算機控制原理和應用技術(shù)的完整知識，使學生掌握數(shù)字控制器的基礎知識、基本應用技術(shù);掌握計算機控制系統(tǒng)的硬件、軟件的選擇、組織、配置和設計。

學生熟練掌握較多的專業(yè)知識并進行有機結(jié)合，包括《電工電子學》、《控制理論》、《單片機原理》等專業(yè)課程，是提高《計算機控制技術(shù)》的教學效果的前提，因此該課程應在上述課程學完之后開設。這樣，《計算機控制技術(shù)》理論講解的重點可放在控制系統(tǒng)的離散化理論、工業(yè)控制系統(tǒng)的總體設計上，大大減少理論講授所需的時間。而《PLC技術(shù)》、《電機與拖動》和《傳感器技術(shù)》等課程可以同時開設，也可以在之前開設。

《計算機控制技術(shù)》以經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎，微機硬件技術(shù)和軟件技術(shù)為手段，系統(tǒng)的工程實現(xiàn)為目的，從而做到理論、技術(shù)與實際應用相結(jié)合，綜合性強，應該后續(xù)開設相應的工程實訓教學內(nèi)容，綜合應用所學知識，鞏固教學效果。

2.2 教學內(nèi)容重在夠用和實用

《計算機控制技術(shù)》課程涉及知識面廣且集成度高，濃縮了本專業(yè)的知識精華，在專業(yè)課程體系中具有承上啟下的作用。

如何確定理論教學內(nèi)容及其深度，調(diào)整好計算機控制系統(tǒng)的理論及應用技術(shù)的關(guān)系，是確定課程內(nèi)容時要解決的一個重要問題。計算機控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，而自動控制是建立在一整套完整的控制理論基礎上的。因此，我們在教學實踐過程中，理論教學內(nèi)容的選用以“夠用為度”為標準。以“夠用”來選取理論教學內(nèi)容，使理論教學內(nèi)容能夠支撐且覆蓋該課程涉及到的主要技術(shù)。而以“實用為度”來確定某一理論教學的深度，使該理論教學的深度能與本院學生的實際水平相適應，同時還要與當前的技術(shù)水平相適應，以滿足具體應用技術(shù)的要求。大致安排如下。

2.2.1 微機與接口技術(shù)

在介紹計算機控制系統(tǒng)的硬件設計技術(shù)中，計算機是計算機控制系統(tǒng)的控制核心。在此計算機是一個廣義的概念，可以是微型計算機、單片機、數(shù)字信號處理器(DSP)或由芯片組成的專用裝置。以《計算機控制技術(shù)》這樣一門課時有限的課程，要同時覆蓋以上幾方面是不可能的，只能有選擇地從中選取某一方面內(nèi)容組織教學。我們采用微型計算機作為控制系統(tǒng)核心，開展教學。與此相對應，在計算機外圍接口電路方面，如輸入輸出通道、通信接口等，教學內(nèi)容安排上則以標準主流板級產(chǎn)品為主，重點介紹它們的工作原理，技術(shù)參數(shù)和應用方法，使得學生在學習本課程后能夠?qū)W以致用，學有所用。

2.2.2 數(shù)字控制器的設計

這部分在講授了數(shù)字信號采樣和處理的基礎知識后，主要學習實際生產(chǎn)過程中廣泛應用的控制算法，如數(shù)字PID算法、最少拍控制算法等。對于理論性較強，而實際生產(chǎn)過程中使用較少的算法，如達林算法、Smith預估控制等，則只做簡單介紹，使學生對其有一個初步的認識即可。

2.2.3 先進控制技術(shù)

近年才出現(xiàn)并應用于生產(chǎn)實際的智能控制算法如模糊控制、現(xiàn)場總線等知識，作為次重點講授對象，以增強學生學習該課程的興趣。

此外，在講課中綜合有關(guān)課程的基本內(nèi)容將學生學到的知識，通過本課程有機地、和諧地結(jié)合在一起。

2.3 教學過程重在啟發(fā)引導與互動

課堂教學的過程中采用討論式、互動式的教學方法，以啟發(fā)、引導學生學習，并激發(fā)學生聽課的熱情與積極性。這樣才能使學生不僅帶著眼睛和耳朵來上課，更重要的是帶著大腦來上課。

采用交互式、討論式教學，以引導和啟發(fā)學生，實現(xiàn)教學互動，首先需要尊重學生在教學中的主體地位，其次需要設計教學過程中不同階段能夠啟發(fā)學生思維的問題。一堂課，需要在什么地方提問，在不同的階段應該提什么不同的問題，都是值得精心研究的。總之，教師的作用不只是傳授，重更要的是引導學生思維。

學生反映該教學方式與傳統(tǒng)教學方式的最大區(qū)別就是，因為不知道老師何時提何種問問題問到自己，所以他們必須時刻都要思想集中。

2.4 教學實踐重在應用和創(chuàng)新

應用型本科的教學就是重在應用，貴在創(chuàng)新，在教學改革中把基礎的內(nèi)容放在課堂內(nèi)，將延伸擴展的、實踐動手的內(nèi)容放在課外。實踐教學是提高學生對知識的應用和創(chuàng)新的一種非常好的教學手段，實踐教學同樣需要堅持素質(zhì)教育、工程教育和創(chuàng)新教育相結(jié)合，實踐教學改革需要與課程建設和課程改革進行整合，形成良性互動，無論是理論部分還是實踐部分，都應強調(diào)應用為目的，應該注意與生產(chǎn)生活實際相結(jié)合。為此我們把《計算機控制技術(shù)》的實踐教學分成了實驗教學和工程實訓教學兩個主要的環(huán)節(jié)。

我們把實驗教學分成了驗證性和簡單設計性兩個模塊。驗證性實驗模塊主要要求學生在已有的實驗方案上進行相關(guān)實驗操作，一方面達到驗證和深化理解理論知識的目的，另一方面進一步強化了學生的實驗操作的技能。簡單設計性實驗模塊，針對某個特定的主題，只告訴學生相關(guān)的實驗要求，需要學生在一定范圍內(nèi)綜合利用所學的知識和實驗技能完成實驗方案的設計、論證和相關(guān)操作，最終得出實驗結(jié)果和實驗結(jié)論。例如在介紹了數(shù)字PID控制器的設計方法和內(nèi)容后，要求學生根據(jù)給定的對象設計一個PID控制器。學生自己擬定實驗方案、基本步驟、最后得出實驗結(jié)果和結(jié)論。這種設計性實驗的訓練，一方面在一定程度上訓練了學生利用已有知識獨立分析和解決問題的能力，為后面的工程實訓打下了基礎，另一方面也可以通過一定的實驗主題設計，加強學生利用計算機和Matlab軟件進行實驗輔助的能力。一般，驗證性和簡單設計性兩個模塊在實驗教學中所占比例為6∶4。

工程實訓教學一般需要3周時間，旨在培養(yǎng)學生解決工程實際問題的能力、團隊合作及其一定的創(chuàng)新精神。在實訓中，我們讓2～3學生組合成一個團隊，要求學生結(jié)合工程實際，在某個范圍內(nèi)自選控制對象、自定控制指標、自行設計方案、自選或自作相關(guān)硬件、自行編制軟件，完成整個計算機控制系統(tǒng)的分析、設計、安裝和調(diào)試過程。通過這種創(chuàng)造性的工作，一方面培養(yǎng)了學生“學以致用”的能力，讓學生提前進入工程角色，盡早熟悉即將面臨的工作環(huán)境和狀態(tài)，另一方面通過這種訓練，給他們提供了一個自由想象和大膽創(chuàng)新的空間，激發(fā)了他們的創(chuàng)新欲望。

我們還積極引導學生申報大學生創(chuàng)新設計課題，積極參與教師的科研課題，鼓勵學生動手制作實物，對工廠企業(yè)、展覽會或者日常生活的控制系統(tǒng)進行調(diào)研、原理分析和仿制，開展科技小發(fā)明活動，則能充分發(fā)揮學生的創(chuàng)造性，提高學生的綜合素質(zhì)。這樣可以突破以往的封閉式教學方法，使自動化專業(yè)的學生自己動手掌握相關(guān)的知識，經(jīng)歷從系統(tǒng)裝置的設計到制作，完成整個過程，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力、想象力和科學技能[2]。

2.5 教學考核重在綜合

考核是評價學生學習、了解教師教學效果的一個重要杠桿。以前由于受時間的限制，僅能考一些基本概念、基本理論和一些簡單的分析題，這有可能使學生平時不重視學習，期末搞突擊，考后知識還給老師。另外考核方法缺乏應用性和綜合性，且由期末考試一錘定音，這樣不但反映不出學生的真實水平，而且也不利于學生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。而通過4個方面綜合評價學生的學習情況，不但可以避免上述情況發(fā)生，且能激發(fā)學生學習興趣，具體措施[3]如下:(1)資格考試，考試的內(nèi)容為平時的作業(yè)，考試的方式為閉卷。這樣可以確保課程基本要求的教學質(zhì)量，并可以遏制抄襲作業(yè)的現(xiàn)象，加強學風建設。(2)水平考試，主要考查學生靈活應用基本概念、基本理論、分析和解決問題及創(chuàng)新思維的能力。水平考試不在難度，重在基本教學內(nèi)容的深度，重在靈活應用和創(chuàng)新思維。(3)實踐考核:根據(jù)學生實驗和工程實訓完成的情況加以評定。(4)平時考核:主要包含對學生主動學習的評價，鼓勵學生參與課堂教學、參與討論、積極地進行思維。

2.6 現(xiàn)代教育技術(shù)重在與課程整合

合理得應用現(xiàn)代教育技術(shù)，不僅可以激發(fā)學生學習，提高課堂教學效果，而且可以節(jié)約時間及成本，使學生有更多的時間進行課后和實踐學習。

本課程教學中的圖例較多，特別是系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)或部件的電氣線路、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖、系統(tǒng)動態(tài)過程的響應波形、基本單元的控制電路等，如不借助于圖示分析，難以用語言表達清楚。為此在講課中利用多媒體教學手段進行教學，例如可以通過Matlab向?qū)W生演示系統(tǒng)的各種動態(tài)響應的仿真結(jié)果，這樣不但增加了教學信息量，而且對插圖和課程中的重點和難點可以反復地指點和回顧，便于理解和掌握課程內(nèi)容。另外，可使學生根據(jù)系統(tǒng)的工藝和控制要求設計數(shù)字控制器、選擇控制參數(shù)以及編制控制軟件，并在計算機模擬實驗系統(tǒng)上進行實驗，觀察控制效果，提高課程的教學質(zhì)量，增強學生解決實際工程問題能力。對于目前環(huán)節(jié)性實驗過重、系統(tǒng)性實驗沒條件開展的情況，系統(tǒng)仿真是一個有效的教學方式，也能節(jié)省大量實驗設備的投資。

3 結(jié)語

從長期從事該課程教學的經(jīng)驗來看，學生是蘊藏著極大的學習熱情和潛能的，關(guān)鍵是要靠教師去挖掘。根據(jù)對幾屆學生的實際調(diào)查和對他們成績的統(tǒng)計，可以看出，經(jīng)過教學改革，一方面課程教學取得了良好的效果，做到了理論、技術(shù)與實際應用相結(jié)合，把各個教學環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)一致，減輕了學生的學業(yè)負擔，提高了學習效率;另一方面學生感到課程的核心內(nèi)容更清晰，更能準確把握，擴展的學習內(nèi)容更靈活豐富，學習積極性得到了進一步的發(fā)揮，從原來對課程的畏懼到喜歡，從原來做實驗無從下手到畢業(yè)設計時能開發(fā)出實驗產(chǎn)品，這些都說明了課程改革提高了教學質(zhì)量和學生的學習效果，培養(yǎng)了學生獨立動手能力和分析、解決問題的能力。

參考文獻

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[3] 張紅.基于應用型能力培養(yǎng)的自動化專業(yè)課程改革的研究與實踐[J].中國電力教育，2008(9):30～32.